提供一種具有交流輸入和直流輸出的變換器。變換器包括接收交流輸入、提供整流輸出的整流器，連接在整流器輸出之間的串聯(lián)的電流－磁場能量存儲器件和電流斷續(xù)器；連接在串聯(lián)的磁場能量存儲器件和電流斷續(xù)器的中點和整流器輸出端子之間的氮化鎵二極管和輸出電荷存儲器件，其中變換器的特征在于其不需更瞬態(tài)電壓抑制電路。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)的領(lǐng)域是涉及電源，特別是，涉及基于氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體器件的電壓變換電路。
技術(shù)介紹
便攜式電源已經(jīng)成為我們社會越來越重要的一部分。需要便攜式電源的例子包括便攜式電腦、蜂窩通信設(shè)備和電子游戲。典型地，用于便攜式設(shè)備的電源由硅半導(dǎo)體(例如硅二極管)構(gòu)成。因為硅二極管制作成本低廉，所以其已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用，而且決不是小規(guī)模的應(yīng)用。盡管硅二極管價格低廉，但是它們也有幾個缺點。其中最大的一個缺點就是電氣噪聲。事實上，典型的硅二極管需要使用噪聲抑制(緩沖)電路。然而，使用緩沖電路導(dǎo)致電源尺寸和重量的顯著增加。由于硅器件的反向恢復(fù)時間長引起開關(guān)損耗，所以電路的另一個缺點是效率問題，尤其是在高頻時。已經(jīng)提出了可供替代的材料，例如碳化硅(SiC)。目前公開的可利用的CREE申請記錄第CPWR-AN01 Rev，其可從Cree公司4600SiliconDr.Durham，NC27703(版權(quán)2002)中，宣稱碳化硅二極管可以顯著降低電氣噪聲，并期望可以在一些電源中不使用緩沖電路。然而，使用碳化硅具有相當(dāng)大的缺點。使用碳化硅的一個主要缺點是成本高。較高的成本使利用碳化硅二極管制成的電源在商業(yè)上是無法被接受的。一方面，在便攜式電源中使用碳化硅二極管使那些電源變得更小、更輕。另一方面，使用Si PiN二極管使電源變得太重并且運行時發(fā)出更多的熱量。此外，前面描述的碳化硅二極管，它們的使用已經(jīng)被限制了。例如，授予Yu的美國專利No.6,657,874描述了一種使用碳化硅二極管對開關(guān)元件進行反向阻斷的電壓逆變器。Yu不同于專利技術(shù)的主題，因為Yu目的是產(chǎn)生交流輸出。不同之處還在于Yu逆變器的開關(guān)元件工作在一個相對較低的頻率下(例如60赫茲，其相對于為了提供直流輸出的電源開關(guān)元件的幾千赫茲)。一種還沒有得到大家廣泛認可的制造二極管的替代材料是氮化鎵(GaN)。然而，早先使用GaN一直限制在發(fā)光二極管(LED)上。因為便攜式設(shè)備的重要性，所以電源需要象使用碳化硅那么輕，但是象使用Si PiN二極管那么便宜的二極管。
技術(shù)實現(xiàn)思路
提供了一種具有交流輸入、直流輸出的變換器。變換器包括接收交流輸入、提供整流輸出的整流器；連接在整流器輸出之間的串聯(lián)的電流-磁場能量存儲器件和電流斷續(xù)器；連接在串聯(lián)磁場能量存儲器件和電流斷續(xù)器中點和整流器輸出端子之間的串聯(lián)連接的氮化鎵二極管和輸出電荷存儲器件，其中變換器的特征在于其不需要瞬態(tài)電壓抑制電路。附圖說明圖1描述了現(xiàn)有技術(shù)中具有緩沖(snubber)網(wǎng)絡(luò)的電壓變換器；圖2描述了根據(jù)所說明的本專利技術(shù)的實施例的電壓變換器；圖3描述了現(xiàn)有技術(shù)中使用Si PiN二極管的電壓變換器；圖4描述了根據(jù)所說明的本專利技術(shù)的實施例的電壓變換器；圖5描述了圖3和圖4所示電壓變換器的效率曲線圖；圖6a-b描述了圖3和圖4所示電壓變換器中晶體管的電壓-電流記錄圖；圖7a-b描述了圖3和圖4所示電壓變換器中二極管的電壓-電流記錄圖。具體實施例方式圖2描述了根據(jù)所說明的本專利技術(shù)的實施例的電壓變換器10。在電壓變換器10中可以包括整流器12(例如橋式整流器)、電感器14、開關(guān)器件18、二極管16以及輸出電荷存儲器件20(例如電容器)。整流器12可以從輸入電源(未示出)接收交流(AC)輸入，并提供直流(DC)輸出。串聯(lián)的電感器14和開關(guān)器件18可以連接在整流器12的輸出之間。串聯(lián)的二極管16和輸出電容器20可以連接在串聯(lián)的電感器和開關(guān)器件的中點和整流器輸出端子之間(即與開關(guān)器件并聯(lián))。開關(guān)器件18(盡管在圖1中示出的是場效應(yīng)晶體管FET)可以是任何反向?qū)ㄐ烷_關(guān)元件。例如，開關(guān)元件的例子可以是絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管(GTO)、門極換向晶閘管(GCT)等等。二極管16可以是氮化鎵(GaN)二極管。通常，與硅二極管相比，氮化鎵二極管具有更寬的能帶隙(這使氮化鎵二極管的每單位長度材料具有更高的抗電氣擊穿性)、更低的正向電壓壓降、更短的電荷反向恢復(fù)、更大的熱穩(wěn)定性以及更高的導(dǎo)熱性。在圖2的電路中，氮化鎵二極管16的正向壓降小于2伏，反向擊穿電壓大于500伏，電流容量大于4安培，最好接近8安培。氮化鎵二極管16可以使變換器10應(yīng)用在多種應(yīng)用中，在這些應(yīng)用中不可能使用硅(Si)PiN二極管。例如，變換器10可以應(yīng)用在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)功率因數(shù)校正(PFC)電源電路中。由于改變的法律要求涉及減少計算機系統(tǒng)的噪音，所以CCM PFC電源已經(jīng)變得很重要。CCM PFC電路提供低的RMS電流，在輕負載時是穩(wěn)定的，并且向SMPS PWM電路提供良好的同步。然而，CCM PFC電路需要超快二極管。在這方面，Si PiN二極管在正向偏置狀態(tài)時總是存儲大量的少數(shù)載流子。在Si PiN二極管關(guān)斷前，必須通過載流子復(fù)合將存儲的電荷移除。相反，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，甚至在高溫下，氮化鎵二極管也保持非常小的零反向恢復(fù)電荷，因此其具有非常小的開關(guān)時間(小于50納秒ns)。相反，能夠相比的Si PiN二極管至少需要100納秒關(guān)斷，并且在600伏的范圍內(nèi)，其有相當(dāng)大的導(dǎo)通壓降。即使可能，在CCM PFC的變換器10中使用可比較的Si PiN二極管也將導(dǎo)致開關(guān)損耗和器件溫度的顯著增加。增加的開關(guān)損耗和器件溫度將需要增加冷卻或者使器件工作在核定運行參數(shù)以下，并且可能要求一個更大的二極管可以執(zhí)行可比較的性能。現(xiàn)在轉(zhuǎn)向變換器10，并對變換器10的操作進行解釋。一般，控制器(未示出)與開關(guān)器件18連接。控制器可以根據(jù)與直流輸出連接的負載，設(shè)置不變的開關(guān)速度或者可變的開關(guān)速度。在使用中，開關(guān)器件18每次被觸發(fā)，開關(guān)器件18的電壓就降到一個低值，使整流器12的輸出電壓出現(xiàn)在電感器14兩端上。電感器14的作用是作為一個電流-磁場能量存儲器件。開關(guān)器件18的觸發(fā)引起電感器14立即存儲它的磁場能量。一段時間后，開關(guān)18被去激活，開關(guān)18去激活引起電感兩端出現(xiàn)一個瞬時電壓。串聯(lián)連接的整流器12和電感器上的總電壓施加在串聯(lián)連接的二極管16和電容器20兩端上。在此期間，電感器14將它的能量通過氮化鎵二極管16以脈沖電流的方式釋放給輸出電容器20。此后，二極管16變成反向偏置，直到二極管16的另一個脈沖電流。圖3給出了現(xiàn)有技術(shù)中使用Si PiN二極管的變換器。如圖3所示，當(dāng)變換器使用Si PiN二極管時，這種類型的變換器需要緩沖網(wǎng)絡(luò)22。圖4給出了一種DC-DC變換器24，變換器24在性能上相當(dāng)于圖3中的變換器，但是其不需要緩沖網(wǎng)絡(luò)22。圖3和圖4中的DC-DC變換器可以分別是圖1和圖2使用的DC-DC變換器的一個具體例子。圖4中的二極管30、32的型號是M5338的氮化鎵500伏二極管，可以從Emcore公司買到。與本申請同時提交的相關(guān)美國專利申請“GALLIUM NITRIDE SCMICONDUCTORDEVICE”和“PACKAGE FOR GALLIUM NITRIDE SEMICONDUCTORDEVICE”都詳細描述了這些二極管的細節(jié)。圖5給出了圖3和圖4所示變換器效率的對比圖。如記錄所示，在大部分工作區(qū)域內(nèi)，氮化鎵變換器24的效率曲線34比圖3的硅變換器的效率曲線36的對應(yīng)效率高將近一個百分點。圖6是圖3的本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
一種具有交流輸入和直流輸出的變換器，所述變換器包括：接收交流輸入、提供整流輸出的整流器；連接在整流器輸出之間的串聯(lián)的電流－磁場能量存儲器件和電流斷續(xù)器；連接在串聯(lián)的磁場能量存儲器件和電流斷續(xù)器的中點和整流器輸出端子之 間的串聯(lián)的氮化鎵二極管和輸出電荷存儲器件，其中變換器的特征在于其不需要瞬態(tài)電壓抑制電路。
【技術(shù)特征摘要】
...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：布賴恩S謝爾頓，波里斯佩雷斯，丹尼爾麥格林，
申請(專利權(quán))人：威力士半導(dǎo)體公司，
類型：發(fā)明
國別省市：US[美國]
還沒有人留言評論。發(fā)表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。